Чому гравітація – це не сила

Відповідно до загальної теорії відносності гравітація не є силою.
Гравітаційних полів не існує, а гравітація - це своєрідна ілюзія.
У цьому відео я доведу це вам, вирушивши у відкритий космос. 3... 2...1...
Альберт Айнштайн сказав, що найщасливішою його думкою було уявляти людину, яка падає з даху будинку.
Айнштайн був щасливим не через те, що отримував задоволення від чужого болю, а через усвідомлення того, що людина під час падіння не відчуватиме власної ваги.
Вона була б невагомою, і все, що вона відпускала чи кидала, лишалося б нерухомим або рухалося б рівномірно відносно неї.
Вся ця ситуація була б аналогічною, якби ви перебували в глибокому космосі, далеко від великих мас.
Незалежно, чи ваш космічний корабель нерухомий, чи рухається з постійною швидкістю, ви б не відчували ваги.
Об'єкти залишаться нерухомими відносно вас, або, якщо ви штовхнете їх, вони рухатимуться прямолінійно з постійною швидкістю.
І ви будете справжнім інерційним спостерігачем, ви не прискорюєтеся, не міститеся в гравітаційному полі, всі закони фізики застосовні у вашій системі відліку,
Тобто не існує жодного експерименту, завдяки якому ви могли б відрізнити вашу систему відліку від будь-якої іншої.
Йдемо далі: Айнштайн розглядає ці два сценарії й каже, що вони тотожні, а не просто схожі.
Вони фізично абсолютно однакові.
А це означає, що людина, яка падає з даху, не перебуває в гравітаційному полі.
Гравітаційних полів не існує, і ця людина не прискорюється.
Вона - інерційний спостерігач, як і людина в космосі.
Стоп, стоп.
Гаразд, я бачу, ці спостерігачі почуваються невагомими.
Але людина, яка падає з даху, безумовно перебуває в полі тяжіння.
Вона ж дуже близько до Землі.
І вона, очевидно, пришвидшується на 9,8 (дев'ять цілих і вісім десятих) метрів на секунду щосекунди.
Факт, який стане болісно очевидним, коли вона вріжеться в землю.
Я розумію, що ці дві ситуації виглядають дуже по-різному, але принцип еквівалентності Айнштайна вказує нам на те, на чому варто зосередитись: спостерігач.
Вони обидва почуваються невагомими у своїх інерційних системах відліку: і той, що падає з даху, і той, що дрейфує в глибокому космосі.
Уявіть, що астронавт рухається з постійною швидкістю і не звертає увагу на планету, до якої наближається.
Зовнішній спостерігач помітив би, що траєкторія ракети трохи викривляється в бік планети.
Але всередині ракети астронавт залишиться в невіданні про це.
Він не відчуватиме дії сили, не відчуватиме й прискорення.
В міру наближення до планети ракета рухатиметься швидше і швидше, але астронавт все одно залишається невагомим.
Для нього нічого не змінилося.
То в якій точці система відліку зміниться з інерційної на неінерційну?
Бортовий акселерометр також нічого не реєструє.
Він продовжує свою інерційну подорож у просторі-часі.
Логічно припустити, що система відліку астронавта залишатиметься інерційною, доки він не зіткнеться з планетою.
Гаразд, то як пояснити викривлений шлях його ракети, не залучаючи гравітаційного поля або сили?
Відповідь: викривлений простір-час.
Зосередьмося на спостереженнях астронавта, який весь час відчував, що рухається з постійною швидкістю по прямій.
Він рухався прямолінійно через простір-час, але простір-час поблизу масивних об'єктів, як-от планети, викривлений.
Ось чому його траєкторія здалася викривленою для далекого спостерігача.
І це не настільки незвично, як може здаватися.
Наприклад, літаки майже завжди летять найкоротшим маршрутом між містами.
Вони, практично, просто рухаються по прямій.
Але оскільки поверхня Землі викривлена, найкоротший шлях не схожий на пряму.
Такі найкоротші шляхи на кривих поверхнях називаються геодезичними лініями.
І ми використовуємо поняття "геодезичні" для прямолінійних траєкторій руху інерційних спостерігачів крізь викривлений простір-час.
Ось ще одна аналогія.
Уявіть, що ви з другом стоїте на відстані 1000 (тисяча) кілометрів один від одного на екваторі.
Тепер ви обидва вирушаєте на північ.
З часом ви зближатиметеся, і зрештою зіткнетеся на Північному полюсі.
Все так, ніби існує сила, яка притягує вас.
Але ні ви, ні ваш друг не відчували дії цієї "сили".
Так-от, гравітація - це щось схоже, і насправді з такої точки зору, її не існує.
Справжньою причиною вашого зближення було те, що ви рухалися вздовж прямих геодезичних ліній по криволінійній поверхні.
Астронавти на космічній станції невагомі.
Це означає, що вони також є інерційними спостерігачами, які рухають по геодезичній лінії.
Але Земля викривляє простір-час навколо себе, тож їхня пряма лінія має вигляд спіралі.
І ця лінія буде круговою орбітою, лише якщо ви забудете часовий вимір.
Не забувайте, що всі ми рухаємося в просторі та часі - просторі-часі.
Ця еластична поверхня - аналогія для демонстрації викривлення простору-часу, але вона може ввести в оману.
Виникає ілюзія, ніби ви розумієте загальну теорію відносності, в той час, як ви лиш інтуїтивно зображаєте те, що об’єкти "прагнуть" падати в бік середини заглибини через дію сили тяжіння.
Але в загальній теорії відносності сили тяжіння не існує.
Потрібно вважати тіла такими, що рухаються по прямій в просторі-часі.
Така вже особливість простору-часу, що він викривляється біля масивних об'єктів, тож пряма лінія не має вигляду прямої.
Матерія "вказує" простору-часу, як викривлятися, а простір-час "вказує" матерії, як рухатись.
А тепер повернімося до глибокого космосу.
Що станеться, якщо увімкнути двигуни та почати рух з прискоренням 9,8 м/с² (дев'ять і вісім метра на секунду у квадраті)?
Ну, хтось ззовні побачить, що всі предмети лишаються нерухомими, тоді як підлога ракети прискорюється.
Всередині ж ракети все прискорюватиметься в бік підлоги, тож ви б відчували силу, яка штовхає вгору ваші ноги.
Та сама сила діє на вас вгору, коли ви дивитеся це відео.
Ця ситуація аналогічна перебуванню в стані спокою на поверхні Землі.
...Тому що ми в спокої на поверхні Землі. [капітан Очевидність]
Я хочу запитати вас, чи переглядаєте ви це відео в інерційній системі відліку?
Тобто, ви почуваєтеся невагомими?
Ні, а отже ви не є інерційним спостерігачем.
Ваша ситуація точно така сама, як і у випадку ракети, що прискорюється в глибокому космосі.
І я не маю на увазі, що стан спокою у гравітаційному полі й стан спокою у ракеті, що прискорюється, подібні.
Я маю на увазі, що вони абсолютно тотожні.
Ви прискорюєтесь і немає ніякого гравітаційного поля.
Гравітаційних полів не існує.
Я знаю, що це звучить божевільно, але ходіть зі мною.
Це ви.
У стандартній ньютонівській фізиці ми малюємо силу тяжіння, яка тягне вас донизу, і силу нормальної реакції опори, яка штовхає вас вгору.
Ми кажемо, що ці сили однакові й протилежні, і тому їхня рівнодійна дорівнює нулю, тож ви не прискорюєтесь.
Але в загальній теорії відносності гравітація - це не сила.
На вас не діє сила тяжіння.
Тож єдиною силою, яка діє на вас, є сила нормальної реакції, яка штовхає вас вгору.
Отже, ви прискорюєтеся вгору.
Але я не рухаюся вгору!
Відносно чого?
Відносно дошки, підлоги та, зрештою, усього, що є в цій кімнаті.
Але всі ці речі перебувають у вашій системі відліку, яка, як ви вже знаєте, не є інерційною.
Відносно мого космічного корабля я не прискорююсь.
Якщо ви дійсно хочете виміряти своє прискорення, вам потрібен хтось в інерційній системі відліку, як той парубок, що падав з даху.
І він побачив би, як ви прискорюєтесь на 9,8 м/с² (дев'ять і вісім метра на секунду у квадраті).
Я думаю, цей приклад показує, що прискорення насправді є відхиленням від геодезичної лінії.
Ви не можете рухатися по прямій крізь простір-час, оскільки підлога заважає вам робити це: вона діє на вас із силою, спрямованою вгору, отже, ви прискорюєтесь.
Але якщо я прискорююсь, як і будь-хто на планеті, а також і вся поверхня Землі, то чи не повинна Земля розширюватися?
Ні.
Ви можете прискорюватись, навіть якщо ваші просторові координати не змінюються.
Я покажу вам одне рівняння із загальної теорії відносності.
Тут йдеться про те, що друга похідна вашої координати по часу дорівнює вашому прискоренню, тобто "F поділити на m".
І якби ви були в пласкому просторі-часі, і прискорювалися б у ньому, ваші координати обов'язково змінювалися б.
Але ви - не в пласкому просторі-часі.
Ця [показує] величина пов’язана з кривиною простору-часу, а це ваша швидкість в часі, піднесена до квадрата.
Не потрібно заглиблюватися в деталі; суть в тому, що ваше розташування може лишатися незмінним.
Воно може бути нульовим, а це означає, що ваше прискорення повинно дорівнювати добутку цієї величини, що описує кривину, на швидкість у квадраті.
Тож у викривленому просторі-часі вам потрібно прискорюватися, щоб просто бути нерухомим.
Все це може здаватися складнішим, ніж ньютонівська фізика, але одна класична загадка є набагато простішою в загальній теорії відносності: чому всі тіла падають на Землю з однаковим прискоренням.
Я зробив кілька відео на цю тему, і завжди давав стандартне ньютонівське пояснення: єдиною силою, яка діє на тіло, що вільно падає, є G (же) помножити на m (ем) і на m (ем), поділити на r² (у квадраті), що дорівнює добутку його маси на прискорення.
Можна скоротити масу тіла з обох боків рівняння.
Відтак, усі тіла матимуть однакові прискорення.
Загадка полягала в тому, чому ми змогли скоротити ці дві маси.
Та маса, що ліворуч, - є гравітаційною масою, властивістю об’єкта, який створює і "відчуває" гравітаційне поле.
Та, що ліворуч - інертна маса, яка є мірою спротиву прискоренню.
Чому ці дві принципово різні властивості повинні бути чисельно однаковими?
Вчені затратили багато часу і зусиль, щоб експериментально переконатися, що з точністю до однієї частини на 10 трильйонів ці два види маси справді однакові.
Але в загальній теорії відносності немає ніякої загадки.
Усі об’єкти падають однаково, тому що вони не прискорюються.
Вони просто слідують по прямій крізь простір-час, доки не стикаються з чимось, що їх зупиняє.
Як і предмети в ракеті, вони, прискорюються однаково лиш тому, що насправді не прискорюються.
Це підлога прискорюється в напрямку до них.
Багатьом з вас це може здатися неправдоподібним, як це й було в 1915 році, коли Айнштайн запропонував цю ідею.
Тож він зробив вимірювані передбачення, завдяки яким його теорію можна було перевірити.
Уявіть, що цей корабель рухається в глибокому космосі.
Якщо ви спрямуєте пучок світла від стінки до стінки, він пройде так, як і очікувалося: світло рухається по прямій, тож потрапить на протилежну стіну в точці, яка розташована на тій же висоті, що й джерело.
Але що, як ракета прискорюється?
Для зовнішнього спостерігача нічого незвичайного не буде: світло рухається по прямій.
Але всередині ракети, за той час, який потрібен світлу, щоб пройти через кабіну, ракета пришвидшиться, тож до того моменту, як воно дійде до другої стіни, місце влучання буде трохи нижче.
Таким чином, у такій прискорюваній системі відліку світло відхиляється донизу!
На анімації цей ефект дуже перебільшений: навіть якби я прискорювався з 10g (десятьма "же"), що, мабуть, мене б убило, відхилення було б порядку ширини протона.
Однак вона показує, що прискорювана система відліку викривляє траєкторію світла.
Тож Айнштайн міркував, що траєкторія світла також повинна викривлятися біля великих мас.
Але де знайти достатньо велику масу?
Очевидно, що тілом з величезною масою недалеко від Землі є Сонце.
Ідеальним експериментом було б провести спостереження за світлом, яке проходить близько до Сонця, щоб виявити відхилення.
Таким світлом може бути світло далеких зірок.
Проблема, звісно ж, полягала в тому, що через яскравість Сонця зірок біля нього не видно.
За винятком повного сонячного затемнення, яке відбулося у 1919 (тисяча дев'ятсот дев'ятнадцятому) році.
Артур Еддінгтон вирішив сфотографувати зірки безпосередньо біля сонця під час повної фази затемнення.
Проаналізувавши ці знімки, він виявив, що видимі розташування цих зірок були зміщеними на величину, передбачену загальною теорією відносності Айнштайна.
Відхилення було вдвічі більшим, ніж розраховане за ньютонівською моделлю.
Загальна теорія відносності успішно пройшла усі випробування, влаштовані за останні сто років.
Але є ще багато речей, які потрібно випробувати.
Добре відома та емпірично підтверджений факт полягає в тому, що прискорювані заряди випромінюють електромагнітні хвилі.
Тож одним по суті простим експериментом було б порівняння поведінки нерухомого заряду в гравітаційному полі та заряду, що вільно падає.
Якщо ньютонівська картина гравітації є правильною, то нерухомий заряд не повинен випромінювати електромагнітних хвиль.
Але під час вільного падіння заряд прискорюється, тож він повинен випромінювати.
Натомість в загальній теорії відносності вільно падаючий заряд вважається не прискорюваним.
Він просто рухається по прямі крізь викривлений простір-час, тоді як нерухомий заряд прискорюється, і саме він повинен випромінювати.
Досі технічні проблеми не дозволили нікому провести цей експеримент,
Але те, який результат ми очікуємо отримати, залежить від того, як ми описуємо природу гравітації.
Як ви вважаєте: вільно падаючий заряд буде випромінювати електромагнітні хвилі чи не буде?
І гравітація - це ілюзія?